PICマイコン(PIC12F675)のDIのチャタリング防止の考え方

こんにちは、ENGかぴです。

マイコンのソフト開発しているとDIに信号を入力しては処理を判定させることがよくあります。DI信号がスイッチなどであった場合チャタリングによってDI信号が安定しないことがあります。対策としてフィルタを作る方法をまとめました。

この考え方はPICマイコンだけでなく他のマイコンでも応用できます。メインループを周回するごとにDIピンの情報を確認して規定回数一致すると採用する考え方もできますが、今回はタイマ機能を使ってフィルタを作っています。

PIC12F675を使ってマイコンの動きを勉強するためにPIC12F675の機能でできることについてまとめています。

PICマイコン（PIC12F675）で実現できる機能と解説リンクまとめ

PIC12F675のDIのチャタリング防止
1. DI信号のチャタリング
2. DIフィルタの効果
PIC12F675の初期設定
1. TMR1を実装する
2. 初期部分を実装する
DIフィルタを実装する
1. 動作確認用の回路図
2. DIフィルタを実装例
ソースコード全体
関連リンク

PIC12F675のDIのチャタリング防止

マイコンのDIはデジタル入力です。入力された電圧値からHighレベル（1）かLowレベル（0）かの判定を行います。スイッチのチャタリングなどが原因でマイコンが誤動作する可能性があるため注意が必要です。

DI信号のチャタリング

スイッチがONからOFFになったときスイッチの接触抵抗などによって電圧レベルが安定しない瞬間があります。

数ms経過するとDI信号は安定するので安定した状態をDI情報として取り込む必要があります。

僅か数ms間ではありますが１と0が繰り返されるためフィルタを入れていなかった場合誤動作の可能性があります。リレーの接点などは容量が大きくチャタリングが大きく出ることがあります。

周辺回路にコンデンサを入れたりすることでチャタリングの高周波成分を減衰させることができますが完全に除去できるわけではありません。

ソフトでDI信号が安定したことを確認して入力として採用することでチャタリングの影響を抑えることができます。

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DIフィルタの効果

DIフィルタはソフトで変化をコントロールする処理を作って実現したものです。DIフィルタの考え方は様々ですが、例の一つとして10ms毎にDIを確認して数回一致した場合ときのDI値を採用する方法を考えていきます。

TMR1を10msでオーバーフローするように実装し10ms毎にDI値を準備したバッファ（値を格納する変数）に入れていきます。buf[0]が初めに格納するバッファとしたとき10ms後にはbuf[1]にDI値を格納します。これを繰り返してbuf[0]からbuf[3]までの４つの値が一致した時にDI信号の値として採用します。

これによってチャタリングしてDI信号が安定しない部分を除いて値が採用できるようになります。

TMR1のオーバーフローの時間を長くすると安定を判定する時間は長くなりますが、チャタリング防止による誤動作は防ぎやすくなります。

例では4つのバッファで構成していますが、TMR1の間隔を短くしてバッファの値を増やす方法を選択したり、TMR1の間隔を長くしてバッファの数を減らすなど使い方によって調整することによって任意のフィルタを実装することができます。

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PIC12F675の初期設定

DIフィルタはTMR1割り込みを使って実装することができます。TMR1を10msでオーバーフローするように設定しDI信号を格納するバッファは4つ(40ms程度のフィルタ)とします。

TMR1を実装する

TMR1の初期化と使い方については下記記事を参考にしてください。

PICマイコン(PIC12F675)の割り込みの設定と使い方

TMR1はDI値を格納するタイミングとして使用します。

初期部分を実装する

typedef struct{
    char    wp;
    char    buf[ DI_NUM ];
}FILT_DATA;
//--------------変数定義----------------------------
FILT_DATA DiData; //FILT_DATAの型で宣言

//-----------------関数定義---------------------------
void DiFilter(void);

void main(void) {
    //各種初期化

    //DIフィルタ初期化
    DiData.wp = 0;
    filtflg = BIT_CLR;
    //DIフィルタ初期起動
    CntInit = CNT_INIT_MAX;

    while(CntInit > 0){  //0になるまでフィルタを実施
        CLRWDT();
	DiFilter();         //DIフィルタ処理
	__delay_ms(10);     //10ms遅延させてDIフィルタ処理
        CntInit--;
	filtflg = BIT_SET;
    }  
    //タイマの初期化
    
    while(1){//メインの無限ループ
        CLRWDT();
        DiFilter(); //DIフィルタ
    }

DIフィルタのデータを格納するための構造体を定義して変数定義を行っています。DI値を格納する変数DiDataの初期化を行います。

メイン関数のループの前にDIフィルタの初期化を行っているのはメイン関数に入る前にDI情報を確定するためです。

TMR1を起動する前にDIフィルタを行う場合のタイミングをdelay関数で作っています。10msのウェイトを10回繰り返してwhileから抜けるようにしています。TMR1を起動して10回割り込みによる処理が終わったらループを抜ける作りでもよいと思います。

例えばプログラム開始時は変数は0になっているため１が入力されていた場合に初期化をしておくことで1を確定してからメイン動作に移ることができます。

製品の動作トリガーになっている場合やDI情報で処理を分岐させる場合は、誤動作防止のためDIフィルタの初期化はしておいたほうが良いでしょう。

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DIフィルタを実装する

DIフィルタを実装するためにDIピンにスイッチのON/OFFが入力できるようにして動作確認します。

動作確認用の回路図

SW1を押すとGP3の入力に1が入ります。10msの経過の割り込みの4回分の値が1となり一致した時LED2が点灯します。ONからOFFにしたときも同様に10msの経過割り込みが4回分0で一致した時にLED2が消灯します。

DIフィルタを実装例

//割り込み関数
void __interrupt() intr( void){
    
    if( TMR1IE == BIT_SET && TMR1IF == BIT_SET){ //タイマ1の割り込みであるか
        TMR1IF = BIT_CLR;       //割り込みフラグをクリア
        TMR1ON = BIT_CLR;
        TMR1H = TIME_START_H;   //ﾀｲﾏ初期化
        TMR1L = TIME_START_L;   //ﾀｲﾏ初期化
        TMR1ON = BIT_SET;       //ﾀｲﾏ1ON
        filtflg = BIT_SET;
    }
}
//--------モード切替部のDIフィルタ----------------------------
void    DiFilter(void){

    if( filtflg ){
	filtflg = BIT_CLR;
	DiData.buf[ DiData.wp ] = GPIO3;
			
	if( DiData.buf[ 0 ] == DiData.buf[ 1 ] &&
            DiData.buf[ 1 ] == DiData.buf[ 2 ] &&
	    DiData.buf[ 2 ] == DiData.buf[ 3 ] ){
	    //比較して一致したら値を採用
	    GPIO2 = DiData.buf[ 0 ];
	}	
			
	if( ++DiData.wp >= DI_NUM){
            DiData.wp = 0;
        }
    }
}

メイン処理の中にDiFilter()が毎回処理されますが、TMR1がオーバーフローしたときのみDIフィルタの処理をするようにオーバーフローしたときにfiltflgをセットしてDiFilter()の内部処理を行うようにしています。

今回は10msのタイマを作って4回分の値が一致することを確認して一致した場合にGP2の出力として採用するようにしています。

4回分の値が一致してから出力が変更されることから応答時間が最小で約40msとなります。

タイマーの時限を10msとしているのでボタンを押すタイミングによっては最大で10msの誤差が出ます。これらを考慮して応答時間は40ms～50msになります。